DE4016580A1 - Vorrichtung zur signaluebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Signal­ übertragung für Handhabungs- und Fördergeräte, insbe­ sondere Industrieroboter, bestehend aus mindestens zwei über eine Übertragungsstrecke miteinander kommuni­ zierende Übertragungsbausteine, die wahlweise min­ destens mit einem adressierbaren Eingabemodul oder mit mindestens einem adressierbaren Ausgabemodul verbunden sind.

Derartige Signalübertragungseinrichtungen werden bei­ spielsweise beim Einsatz von Industrierobotern verwen­ det, um die vorhandenen hochkomplexen Systeme aus Sensorik und Aktorik zu koordinieren. Diese Koordi­ nierung erfordert bei der Verwendung bekannter Signalübertragungseinrichtungen eine erhebliche Dichte von Datenleitungen. Zur Reduzierung der Anzahl der verwendeten Verbindungsleitungen werden Multiplexver­ fahren verwendet. Insbesondere ist das Zeitmultiplex­ verfahren verbreitet, bei dem auf einer Senderseite ein Multiplexer und auf einer Empfängerseite ein Demultiplexer vorgesehen ist. Bei diesen Zeitmulti­ plexverfahren werden sequentiell die zu übertragenden Kanäle auf die Übertragungsstrecke geschaltet. Jeder Datenkanal bekommt somit die Übertragungsstrecke nur für eine festgelegte Zeit zugeteilt. Die verwendeten Multiplexer und Demultiplexer arbeiten koordiniert, so daß gewährleistet ist, daß die sequentiell vom Multiplexer auf die Übertragungsstrecke geschalteten Datenkanäle im Bereich des Demultiplexers wieder auf die jeweils zugeordneten Datenkanäle verteilt werden können. Die den jeweiligen Datenkanälen zugeordneten Informationen werden auf der Übertragungsstrecke zeit­ lich aneinander gereiht. Die Anzahl der Datenkanäle ist bei der Durchführung dieses Verfahrens durch die Lei­ stungsfähigkeit des Multiplexers und des Demultiplexers begrenzt.

Es ist gleichfalls bekannt, die Anzahl der übertrag­ baren Datenkanäle dadurch zu vervielfachen, daß mehrere Multiplexer in Kombination mit einem seriellen Über­ tragungsbaustein verwendet werden. Die seriellen Übertragungsbausteine sind dabei als Parallel/ Seriellwandler ausgebildet, die mehrere Informationen zu einem Datenblock zusammenfassen und gemeinsam über­ tragen. Die Übertragung kann dabei bei Verwendung einer zusätzlichen Taktleitung synchron, oder bei Verwendung einer Zweidrahtleitung asynchron erfolgen. Bei der Durchführung dieses Verfahrens schalten die verwendeten Multiplexer nacheinander ihre Datenkanäle auf den je­ weiligen seriellen Übertragungsbaustein. Der Übertragungsbaustein stellt aus den ihm derart über­ mittelten Informationen einen Datenblock zusammen und gibt diesen auf die Übertragungsstrecke aus.

Bei nicht zu hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit der Datenübertragung sind diese Übertragungsverfahren gut zur Übertragung digitaler Signale geeignet. Die Übertragung analoger Signale bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Dies resultiert daraus, daß die ana­ logen Signale zunächst digitalisiert und anschließend auf mehrere Datenkanäle verteilt werden müssen. Bei einer blockweisen Datenzusammenstellung im Bereich ei­ nes Übertragungsbausteines kann dies dazu führen, daß ein parallel an den Datenkanälen anliegendes analoges Signal erst nach der Absendung mehrerer Datenblöcke vollständig übertragen ist.

Dieser Nachteil der Verteilung auf mehrere Datenblöcke kann zwar durch die Verwendung eines Zeitmultiplexver­ fahrens mit Adressenbildung vermieden werden, nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtungen können jedoch nicht allen Anforderungen bezüglich einer hohen Daten­ übertragungsgeschwindigkeit genügen. Bei diesem Zeit­ multiplexverfahren mit Adressenbildung wird über je­ weils eine Adresse eines der Ein-/Ausgabemodule ange­ sprochen. Ein Datenblock, der sich aus den jeweils ei­ nem Modul zugeordneten Datenkanälen zusammensetzt, wird von einem seriellen Übertragungsbaustein übertragen. Da hierbei immer alle Datenkanäle eines bestimmten Moduls gemeinsam bearbeitet werden, wird ein digitalisiertes analoges Signal in einem einzigen Datenblock übertra­ gen.

Die bekannten nach diesen Verfahren arbeitenden Über­ tragungssysteme genügen jedoch den steigenden Ansprü­ chen bezüglich der Datenübertragung im maschinennahen Bereich der industriellen Fertigung, wie z. B. beim Ro­ botereinsatz, nicht. Aufgrund der komplexen Sensorik und Aktorik bei modernen Industrierobotern ist es er­ forderlich, eine große Anzahl von Datenkanälen zu übertragen. Bei der Anwendung der bekannten Verfahren zur Datenübertragung ist es jedoch nicht möglich, eine ausreichende Übertragungsgeschwindigkeit zu gewähr­ leisten. Dies ist vor allem bei der Echtzeitübertragung von analogen Signalen nachteilig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor­ richtung zur Signalübertragung der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß ein leistungsstarkes Über­ tragungssystem bereitgestellt wird, das ein akzeptables Echtzeitverhalten, eine geringe Störanfälligkeit sowie eine gute Auflösung analoger Signale gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der Übertragungsbausteine eine in einem Zeitmul­ tiplexverfahren mit Adressenbildung die Datenübermit­ tlung steuernde Steuerlogik aufweist, die mit jeweils einem Sendeteil und einem Empfangsteil in Verbindung steht und daß die Eingabemodule und die Ausgabemodule über einen Parallelbus jeweils mit einem der Übertra­ gungsbausteine verbunden sind.

Aufgrund der koordinierten Ansteuerung der Sende- und Empfangsteile durch die Steuerlogik sowie die interne Datenübertragung innerhalb der Signalübertragungsein­ richtung durch Parallelbusse ist es möglich, im Zeit­ multiplexverfahren die einer großen Anzahl von Kanälen zugeordneten Informationen entlang einer Übertragungs­ strecke zu übertragen. Die hohe zeitliche Effektivität dieser Vorrichtung ermöglicht eine hohe Übertragungs­ frequenz, die eine gute Übertragungsqualität auch bei der Übertragung von Signalen hoher Dynamik gewährleistet. Darüber hinaus kann diese Vorrichtung mit einer geringen Baugröße sowie einem geringen Ge­ wicht realisiert werden, so daß eine Verwendung insbe­ sondere im Bereich einer Roboterhand möglich ist, ohne die Bewegungsfähigkeit des Roboters merklich zu beein­ trächtigen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Steuerlogik als ein unterschiedliche Zyklen für den Sende- und den Empfangsbetrieb sowie die Fehlerbe­ handlung durchlaufender Mealy-Automat ausgebildet ist. Durch die unterschiedlichen Zyklen können verschiedene Betriebszustände in einfacher Weise bearbeitet werden. Eine gute Übertragungsqualität und eine geringe Stör­ anfälligkeit wird dadurch gewährleistet, daß die Über­ tragungsstrecke als eine optische Strecke ausgebildet ist, die durch elektro-optische Wandler sowie opto­ elektrische Wandler mit den Übertragungsbausteinen verbunden ist.

Zur Koordinierung der Ansprache von Eingabe und Ausga­ bemodulen ist vorgesehen, daß im Bereich des Übertra­ gungsbausteins ein die Adressenbildung vornehmender Kanalzähler angeordnet ist.

Eine zeitliche Koordinierung der Signalübertragung wird dadurch gewährleistet, daß im Bereich des Übertra­ gungsbausteins ein das Sendeteil und das Empfangsteil taktender Oszillator/Teiler angeordnet ist.

Zur Anpassung an unterschiedliche Anwendungen ist vor­ gesehen, daß mindestens eines der Module digital aus­ gebildet ist. Es ist aber auch möglich, daß mindestens eines der Module analog ausgebildet ist. Eine Erfassung von Prozeßdaten ist dadurch möglich, daß mindestens eines der Eingabemodule mit einem Sensor verbunden ist. Die Beeinflussung eines technischen Prozesses wird dadurch erreicht, daß mindestens eines der Ausgabemo­ dule mit einem Aktor verbunden ist.

Zur Gewährleistung einer hohen Auflösung ist vorgese­ hen, daß der Parallelbus eine Datenbreite von 12 Bit aufweist.

Eine zuverlässige Datenübertragung wird dadurch unter­ stützt, daß die Übertragungsbausteine als asynchron und seriell beaufschlagende Bauelemente ausgebildet sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems zur Realisierung eines Multiplexverfahrens mit Adressenbildung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Signalübertra­ gungseinrichtung mit zwei über eine Übertragungsstrecke miteinander kommunizierenden Übertragungsbausteinen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der wesentlichen Baugruppen eines Übertragungsbausteines.

Eine Vorrichtung zur Signalübertragung besteht im we­ sentlichen aus zwei Übertragungsbausteinen (1), die durch eine Übertragungsstrecke (2) miteinander verbun­ den sind. Jeder der Übertragungsbausteine (1) ist mit Eingabemodulen (3) sowie Ausgabemodulen (4) verbunden. Jedes der Eingabemodule (3) ist einem Sensor (5) und jedes der Ausgabemodule (4) einem Aktor (6) zugeordnet. Die Sensoren (5) erfassen physikalische Parameter im Bereich eines Prozesses und mit Hilfe der Aktoren (6) ist es möglich, gezielt auf den Prozeß einzuwirken. Die Eingabemodule (3) und die Ausgabemodule (4) sind über einen Parallelbus (7) mit dem Übertragungsbaustein (1) verbunden. Der Parallelbus (7) besteht aus einem Da­ tenbus (8), einem Adreßbus (9) sowie einem Steuerbus (10). Insbesondere ist daran gedacht, den Datenbus (7) als einen Zwölf-Bit-Bus auszubilden. Es ist aber auch möglich, andere Auflösungen vorzusehen.

Die Übertragungsstrecke (2) ist als eine optische Strecke, beispielsweise ein Glasfaserkabel, ausgebil­ det. Die Übertragungsstrecke (2) ist im Bereich eines elektrooptischen Wandlers (11) sowie im Bereich eines optoelektrischen Wandlers (12) an den Übertragungsbau­ stein (1) angeschlossen. Jedem der Übertragungsbau­ steine (1) ist somit jeweils ein elektrooptischer Wandler (11) sowie ein optoelektrischer Wandler (12) zugeordnet, um sowohl einen Sende- als auch einen Em­ pfangsbetrieb jedes Übertragungsbausteines (1) zu er­ möglichen.

Durch die optische Signalübertragung ist es möglich, eine potentialfreie Verbindung der Übertragungsbau­ steine (1) zu realisieren. Darüber hinaus wird hier­ durch ein Blitzschutz, eine hohe Übertragungsentfernung sowie eine hohe Übertragungsfrequenz, eine erhebliche Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie bei­ spielsweise Schmutz und Feuchtigkeit, sowie eine abso­ lute Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen erzielt. Es ist möglich, beliebige analoge oder digitale Signale zu erfassen und weiterzuleiten. Die Übertragungsstrecke (2) kann aus einem einzelnen Lichtwellenleiter bestehen. Es ist aber auch möglich, für jede Übertragungsrichtung getrennte Lichtwellen­ leiter vorzusehen.

Der Übertragungsbaustein (1) besteht im wesentlichen aus einer Steuerlogik (13), die ein Empfangsteil (15) sowie ein Sendeteil (14) koordiniert, sowie einem Ka­ nalzähler (16), der die jeweiligen Adressen zur An­ sprache der Eingabemodule (3) sowie der Ausgabemodule (4) bildet. Das Empfangsteil (15) und das Sendeteil (14) sind von einem Oszillator/Teiler (17) beauf­ schlagt, der die Signalübertragung im Bereich der Übertragungsstrecke (2) taktet.

Der Datenbus (8) ist mit dem Empfangsteil (15) und dem Sendeteil (14) verbunden. Der Adreßbus (9) wird vom Kanalzähler (16) beaufschlagt und der Steuerbus (10) ist an die Steuerlogik (13) angeschlossen. Das Empfangsteil (15) und das Sendeteil (14) verbinden den Übertragungsbaustein (1) mit der Übertragungsstrecke (2).

Insbesondere ist daran gedacht, die Steuerlogik (13) als einen Mealy-Automaten auszubilden, der abhängig von den an ihm anliegenden Eingangssignalen unterschied­ liche Zyklen durchläuft und die erforderlichen Steuer­ signale herstellt. Grundsätzlich sind drei Zyklen er­ forderlich, nämlich ein Zyklus für das Senden von Da­ ten, ein Zyklus für das Empfangen von Daten und ein weiterer Zyklus für die Fehlerbehandlung im Störungs­ fall. In Abhängigkeit von den Signalen im Bereich des Steuerbusses (10), die von den Modulen (3, 4) generiert werden, verzweigt die Steuerlogik (13) in den jeweils zugeordneten Zyklus. Meldet sich beispielsweise nach einer Aktivierung einer entsprechenden Adresse über den Kanalzähler (16) ein Eingabemodul (3), so werden in einem Sendezyklus die betreffenden Daten an das eine Parallel/ Seriellwandlung durchführende Sendeteil (14) übergeben.

Im Bereich des Sendeteiles (14) wird ein auszugebender Datenblock zusammengestellt. Insbesondere ist daran gedacht, den Datenblock 50 auszubilden, daß er ein Start-Bit, ein Synchronisations-Bit, ein Datenwort, eine Adresse, eine Modulkennung sowie ein Parity- und ein Stop-Bit aufweist. Nach der Übergabe aller zur Übertragung notwendigen Daten an das Sendeteil (14) wird der betreffende Datenblock dem elektro-optischen Wand­ ler (11) zugeführt.

Meldet sich nach einer Anwahl über den Kanalzähler (16) ein Eingabemodul (3), so wird ein Empfangszyklus durchlaufen. Da vorzugsweise daran gedacht ist, die Übertragung asynchron, d. h. ohne mitgeliefertes Takt­ signal, durchzuführen, wird durch ein Synchronisa­ tions-Bit im empfangenen Datenblock der Oszillator/ Teiler (17) für das Empfangsteil (15) freigegeben. Der Datenblock wird anschließend in das eine Seriell-/ Parallelwandlung durchführende Empfangsteil (15) wei­ tergeleitet, hier kontrolliert und an das Ausgabemodul (4) weitergegeben. Wird bei der Kontrolle des Daten­ blockes ein Übertragungsfehler detektiert, beispiels­ weise ein Bit-Fehler im Datenwort oder eine Unter­ brechung der Datenleitung, so wird in einen Fehlerbe­ handlungszyklus verzweigt. In diesem Fehlerbehand­ lungszyklus werden die Module (3, 4) in einen defi­ nierten Zustand geschaltet sowie im Bereich einer An­ zeigevorrichtung eine Fehlerinformation ausgegeben.

Zur Erzielung einer effektiven Signalübertragung ist es möglich, den Kanalzähler (16) derart einzustellen, daß nur vorhandene Eingabemodule (3) und Ausgabemodule (4) angesprochen werden. Hierdurch ist es möglich, das System an unterschiedliche Anwendungen anzupassen und jeweils nur für tatsächlich vorhandene Module (3, 4) Abfragezeiten zu reservieren.

Sowohl die Eingabemodule (3) als auch die Ausgabemodule (4) können digital oder analog ausgebildet sein. Digi­ tal ausgebildete Module (3, 4) weisen vorzugsweise zwölf Datenkanäle auf, die zu einem Datenwort zusammengefaßt und parallel abgearbeitet werden. Im Bereich der ana­ logen Module (3, 4) findet jeweils eine Umwandlung eines analogen Signales in ein 12 Bit umfassendes Datenwort, bzw. die Umwandlung eines derartigen Datenwortes in ein Analogsignal statt. Durch die parallele Abarbeitung wird auch bei Signalen höher Dynamik ein gutes Echt­ zeitverhalten gewährleistet.

Die Übertragungsbausteine (1) kommunizieren vorzugs­ weise auf der Grundlage eines Handshake-Protokolles und übermitteln die Daten seriell in einem asynchronen Be­ trieb. Durch die große zeitliche Effektivität der Sig­ nalübertragungseinrichtung ist es möglich, eine Über­ tragungsgeschwindigkeit von mehr als zehn MBaud zu er­ zielen. Eine geringe Baugröße und ein geringes Gewicht der Vorrichtung wird insbesondere bei einer Verwendung von SMD- oder ELPD-Bauelementen gewährleistet. In Ab­ hängigkeit von der Anzahl der verwendeten Eingabemodule (3) oder der Ausgabemodule (4) ist es möglich, Bear­ beitungsfrequenzen im Bereich von zehn bis dreihundert kHz zu gewährleisten.

Insbesondere ist auch daran gedacht, die Eingabemodule (3) und die Ausgabemodule (4) derart identifizierbar auszubilden, daß sie beliebig in vorbereitete Steck­ plätze eingesetzt werden können. Hierdurch kann ein geringes Bauvolumen bei nur wenigen benötigten Modulen (3, 4) gewährleistet werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Signalübertragung für Handhabungs- und Fördergeräte, insbesondere Industrieroboter, bestehend aus mindestens zwei über eine Übertra­ gungsstrecke miteinander kommunizierende Übertra­ gungsbausteine, die wahlweise mindestens mit einem adressierbaren Eingabemodul oder mit mindestens einem adressierbaren Ausgabemodul verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Übertra­ gungsbausteine eine in einem Zeitmultiplexverfahren mit Adressenbildung die Datenübermittlung steuernde Steuerlogik (13) aufweist, die mit jeweils einem Sendeteil (14) und einem Empfangsteil (15) in Ver­ bindung steht und daß das Eingabemodul (3) und das Ausgabemodul (4) über einen Parallelbus (7) jeweils mit einem der Übertragungsbausteine (1) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sendeteil (14) als Parallel-Seriell- Wandler und das Empfangsteil als Seriell- Parallel-Wandler ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerlogik (13) als ein un­ terschiedliche Zyklen für den Sende- und den Em­ pfangsbetrieb sowie die Fehlerbehandlung durchlau­ fenden Mealy-Automat ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Übertragungsstrecke (2) als eine optische Strecke ausgebildet ist, die durch elektro-optische Wandler (11) sowie opto­ elektrische Wandler (12) mit den Übertragungsbau­ steinen (1) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich des Übertra­ gungsbausteins (1) ein die Adressenbildung vorneh­ mender Kanalzähler (16) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich des Übertra­ gungsbausteins (1) ein das Sendeteil (14) und das Empfangsteil (15) taktender Oszillator/Teiler (17) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Mo­ dule (3, 4) digital ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Mo­ dule (3,4) analog ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Eingabemodule (3) mit einem Sensor (5) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Ausgabemodule (4) mit einem Aktor (6) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelbus (7) eine Datenbreite von 12 Bit aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsbau­ steine (1) als asynchron und seriell beaufschla­ gende Bauelemente ausgebildet sind.